שיטות חדשות להגברת היעילות של סוללות יוני-ליתיום עבור התקנים ניידים

שינויים כימיים קלים במבנה הסולות הנטענות יכול להאריך את חיי השימוש במכשירי תקשורת ומיחשוב ניידים

טלפונים ניידים, מחשבים נישאים, אייפודים – השגשוג במכשירי תקשורת ומחשוב ניידים תלוי במידה רבה בסוללות יוני-ליתיום נטענים לשם העברת אנרגיה. סוללות אלו מציעות את קיבול האנרגיה הגבוה ביותר, מאפשרות הפעלה של מחשבים נישאים למשך זמן סביר ואינן מפגינות ליקויים בזיכרון בהשוואה לסוללות נטענות אחרות. ברם, סוללות נטענות הקיימות בשוק עדיין אינן מספקות באופן מלא.

סוללות נטענות ותאי-דלק מודרניים ויעילים דורשים חומרים בעלי יכולת מוגברת להעברת יוני ליתיום. חוקרים מגרמניה פיתחו עתה סוג חדש של מוליכים יוניים אי-אורגניים בעלי מבנה דומה למחצב הטבעי ארגירודיט (argyrodite, Ag8GeS6). קבוצת חוקרים מגרמניה, בראשותו של האנס-יורג דייסרוט, מדווחים בכתב-העת לענייני כימיה Journal Angewandte Chemie על האפיון של חומר מסונתז, המקביל למחצב ארגירודיט, בעל המוליכות החשמלית הגבוהה ביותר המוכרת והמורכב מאטומי ליתיום, זרחן, גופרית וברום.

במוליכים יוניים, המטען אינו מועבר בצורה של אלקטרונים, מצב הקיים במתכות; לעומת זאת, המטען מועבר בצורה של חלקיקים טעונים – לרוב, יוני ליתיום. העברה זו מחייבת חומרים בהם יוני הליתיום יכולים לנוע באופן החופשי ביותר האפשרי. קבוצת המחקר מאוניברסיטת סיגן (Siegen), בשיתוף פעולה עם מדענים מאוניברסיטת מיונסטר (Münster) החלו את מחקרם במחצב הידוע זה זמן רב – ארגירודיט, מחצב טבעי המורכב מאטומי כסף, גרמניום וגופרית אשר התגלה בגרמניה בשנת 1885 ומכיל יוני כסף ניידים בתוכו.

הרכיבים הנפרדים בארגירודיט יכולים להיות מוחלפים ע”י מספר אטומים אחרים מבלי לשנות את המבנה המאפיין של מחצב זה. המושג “ארגירודיט” מתייחס כיום למשפחה שלמה של חומרים בעלי סידור אטומים וסוג מבנה מרחבי מסוימים מאוד.
הקבוצה בראשותו של דייסרוט ייצרו גירסה של מחצב זה בה אטומי הכסף הוחלפו באטומי ליתיום, אטומי הגרמניום באטומי זרחן וחלק מאטומי הגופרית בהלידים (כלוריד, ברומיד או יודיד), תוך קבלת מבנים דמויי-ארגירודיט בעלי ההרכב Li6PS5X (X: Cl-, Br-, I-).

בסריג הגבישי אטומי הזרחן, הגופרית וההליד מאמצים מארג מרחבי דחוס מסוג ארבעוני (טטראהדרלי) בו המרוחים מכילים, באופן סדיר ברובו, יוני ליתיום. יוני הליתיום יכולים “לקפוץ” ממרוח אחד למשנהו. קיום היונים הניידים מצביע על כך כי הגביש הוא בעל מוליכות יונית גבוהה והמבנים המכילים אטומי ברום הינם בעלי המוליכות הגבוהה ביותר של יוני ליתיום הידועים למדע של חומרים דמויי-ארגירודיט. המדענים בחנו באופן מעמיק את הארגירודיטים מכילי הליתיום באמצעות קריסטלוגרפיה מסוג השתברות גלי-איקס של חד-גביש וספקטרוסקופית תהודה מגנטית גרעינית (NMR). בדיקות מהסוג הזה מאפשרות אפיון מדויק של מבני הגבישים של חומרים אלו ומספקות תובנות מרתקות על הדינאמיקה של יוני ליתיום ניידים.

לידיעה של ווילי-בלאקוול